JPS61133659A - 半導体受光素子の製造方法 - Google Patents
半導体受光素子の製造方法Info
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- JPS61133659A JPS61133659A JP59254156A JP25415684A JPS61133659A JP S61133659 A JPS61133659 A JP S61133659A JP 59254156 A JP59254156 A JP 59254156A JP 25415684 A JP25415684 A JP 25415684A JP S61133659 A JPS61133659 A JP S61133659A
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Classifications
-
- H—ELECTRICITY
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- H01L—SEMICONDUCTOR DEVICES NOT COVERED BY CLASS H10
- H01L27/00—Devices consisting of a plurality of semiconductor or other solid-state components formed in or on a common substrate
- H01L27/14—Devices consisting of a plurality of semiconductor or other solid-state components formed in or on a common substrate including semiconductor components sensitive to infrared radiation, light, electromagnetic radiation of shorter wavelength or corpuscular radiation and specially adapted either for the conversion of the energy of such radiation into electrical energy or for the control of electrical energy by such radiation
- H01L27/144—Devices controlled by radiation
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Abstract
(57)【要約】本公報は電子出願前の出願データであるた
め要約のデータは記録されません。
め要約のデータは記録されません。
Description
【発明の詳細な説明】
[発明の技術分野]
本発明は、光検出素子を含む複数または多数の素子を半
導体基板(ウェハ)上に集積化する際、各素子を電気的
に分離する方法で、特にU字型溝切りおよび溝充填法を
用いる分離帯形成方法に関するものである。
導体基板(ウェハ)上に集積化する際、各素子を電気的
に分離する方法で、特にU字型溝切りおよび溝充填法を
用いる分離帯形成方法に関するものである。
[先行技術の説明]
従来、PN接合などから成る光電変換部を有する光検出
素子を含む半導体装置、例えば、半導体撮像装置では、
各光検出素子つまり各画素間の光により生成される電荷
(キャリア)の分離を良くし、解像度特性を向上させる
ため、接合分離法を用いていた。第7図に示す例では、
PIN構造を有する光電変換部から成る画素1.1’
、光電変換により電荷を発生させる主たる領域2)基板
3、および、分離領域4より構成される光半導体装置を
示す。ここで、画素1および1′の間の分離特性を良く
するためには、即ち、1に貯えられた電荷が1′に移ら
ないためには、分離領域の横幅を大きくとることや、不
純物濃度を高くすることにより、4に入りこんでくる電
荷を再結合させて消滅させてしまうことが必要である。
素子を含む半導体装置、例えば、半導体撮像装置では、
各光検出素子つまり各画素間の光により生成される電荷
(キャリア)の分離を良くし、解像度特性を向上させる
ため、接合分離法を用いていた。第7図に示す例では、
PIN構造を有する光電変換部から成る画素1.1’
、光電変換により電荷を発生させる主たる領域2)基板
3、および、分離領域4より構成される光半導体装置を
示す。ここで、画素1および1′の間の分離特性を良く
するためには、即ち、1に貯えられた電荷が1′に移ら
ないためには、分離領域の横幅を大きくとることや、不
純物濃度を高くすることにより、4に入りこんでくる電
荷を再結合させて消滅させてしまうことが必要である。
しかし、この方法では、例えば分離領域の不純物濃度を
約1020cm−3以上に大きくし、かつ、集積化のた
め画素部(P+シリコン)と分離領域(N+シリコン)
との距離を小さくとった場合1両者が重なったり微小な
結晶欠陥の影響を受けやすくなり、接合リーク電流の増
加や耐圧の低下を招き特性や歩留りを悪くする。一方逆
に、耐圧やり−、りを軽減するため分離部の不純物濃度
を1017〜1.01” c+n−3程度に下げた場合
、光キャリアを隣接する画素に移る前に再結合させるた
めに分離帯の幅を極めて大きくとる必要があり、集積化
が困難であった。
約1020cm−3以上に大きくし、かつ、集積化のた
め画素部(P+シリコン)と分離領域(N+シリコン)
との距離を小さくとった場合1両者が重なったり微小な
結晶欠陥の影響を受けやすくなり、接合リーク電流の増
加や耐圧の低下を招き特性や歩留りを悪くする。一方逆
に、耐圧やり−、りを軽減するため分離部の不純物濃度
を1017〜1.01” c+n−3程度に下げた場合
、光キャリアを隣接する画素に移る前に再結合させるた
めに分離帯の幅を極めて大きくとる必要があり、集積化
が困難であった。
従って、従来はある程度集積化した素子においては、こ
の画素間のクロストーク即ち隣接画素への信号電荷のも
れが約10%程度にも達する不具合があった。
の画素間のクロストーク即ち隣接画素への信号電荷のも
れが約10%程度にも達する不具合があった。
[発明の目的]
本発明は、上記従来技術の欠点を克服し、半導体撮像装
置などの光検出素子を含む複数の素子を半導体基板上に
形成した半導体装置において、素子間分離特性を格段に
向上させ、しかも高集積化が可能な素子分離帯を形成す
る方法を提供することを目的とする。
置などの光検出素子を含む複数の素子を半導体基板上に
形成した半導体装置において、素子間分離特性を格段に
向上させ、しかも高集積化が可能な素子分離帯を形成す
る方法を提供することを目的とする。
[発明の概要]
本発明の第1の特徴は、所望の分離個所に1〜3μm幅
のU字型溝切りおよび充填法により分離帯を形成する際
、溝切りの深さを、入射光の波長で決まる侵入深さおよ
び溝切り部底部付近のキャリアの拡散長に応じて変える
ことにより、光入射により過剰に発生したキャリアを当
該素子以外の部=3− 分に拡散する前に再結合により消し去ることにより、素
子間の分離特性を向上させるものである。
のU字型溝切りおよび充填法により分離帯を形成する際
、溝切りの深さを、入射光の波長で決まる侵入深さおよ
び溝切り部底部付近のキャリアの拡散長に応じて変える
ことにより、光入射により過剰に発生したキャリアを当
該素子以外の部=3− 分に拡散する前に再結合により消し去ることにより、素
子間の分離特性を向上させるものである。
本発明の第2の特徴は、溝切り部底部に更に高濃度に不
純物を添加してやり、キャリアの拡散長をより短かくす
ることにより、その効果を一層高めることにある。
純物を添加してやり、キャリアの拡散長をより短かくす
ることにより、その効果を一層高めることにある。
本発明の第3の特徴は、溝切り部底部に更にアルゴン、
酸素、窒素などのイオンを打込んでやり、結晶欠陥をつ
くることによりキャリアの拡散長をより短かくすること
で、その効果を一層高めようとするものである。
酸素、窒素などのイオンを打込んでやり、結晶欠陥をつ
くることによりキャリアの拡散長をより短かくすること
で、その効果を一層高めようとするものである。
本発明の第4の特徴は、素子領域を連続的に形成後に、
分離帯を形成することにより、マスク合せ部分をなくす
ことで、集積度を一層高めようとするものである。
分離帯を形成することにより、マスク合せ部分をなくす
ことで、集積度を一層高めようとするものである。
本発明の第5の特徴は、フォトダイオードまたはイメー
ジセンサ用受光素子の分離に適用することにより高集積
度、高分離特性の光半導体装置を得るようにするもので
ある。
ジセンサ用受光素子の分離に適用することにより高集積
度、高分離特性の光半導体装置を得るようにするもので
ある。
[発明の実施例]
4一
本発明の一実施例に係るU字型分離帯の形成方法をPI
Nフォトダイオードを含む半導体装置に適用した例につ
き、第1図(A)〜(H)の工程図を参照して説明する
。
Nフォトダイオードを含む半導体装置に適用した例につ
き、第1図(A)〜(H)の工程図を参照して説明する
。
(A) N+シリコン基板11にN一層12をエピタ
キシャル成長により設ける。
キシャル成長により設ける。
(B) CVD5iO2膜を形成し、フォトエツチン
グにより1〜3μm幅に溝切り用マスクを形成し。
グにより1〜3μm幅に溝切り用マスクを形成し。
CCQaやCCU2F2ガスを用いた反応性イオンエツ
チングにより、溝切り部13を所望の深さまでエツチン
グする。このときの溝の深さは、後述するように光キャ
リアの拡散長と、入射光の波長に関係する光の侵入距離
とに応じて決定する。一方、溝幅は、集積度や加工精度
を考慮して上記のように1〜3μm幅に形成する。この
ときの溝幅はエツチングの異方性により全域にわたりマ
スクとほぼ同寸法に垂直に形成することができる。また
、必要に応じて溝切り部13の底部にはN十型不純物(
As、P。
チングにより、溝切り部13を所望の深さまでエツチン
グする。このときの溝の深さは、後述するように光キャ
リアの拡散長と、入射光の波長に関係する光の侵入距離
とに応じて決定する。一方、溝幅は、集積度や加工精度
を考慮して上記のように1〜3μm幅に形成する。この
ときの溝幅はエツチングの異方性により全域にわたりマ
スクとほぼ同寸法に垂直に形成することができる。また
、必要に応じて溝切り部13の底部にはN十型不純物(
As、P。
gb等)をイオン注入により添加して底部付近の不純物
濃度を高くしたり、あるいは、Ar”、0”、N+など
をイオン注入して結晶欠陥14を故意に形成する。
濃度を高くしたり、あるいは、Ar”、0”、N+など
をイオン注入して結晶欠陥14を故意に形成する。
(C)洗浄、熱酸化し表面にSi02膜15を付けた後
に、LPCVDなどによりポリシリコン16にて充填し
た後、表面についたポリシリコンのみCFaガスを用い
てプラズマエツチングにより除去する。
に、LPCVDなどによりポリシリコン16にて充填し
た後、表面についたポリシリコンのみCFaガスを用い
てプラズマエツチングにより除去する。
(D)表面を再び熱酸化し、P十領域形成用のフォトエ
ツチングを行ない、B+のイオン注入、ドライブイン酸
化し、P+領域17を形成する。
ツチングを行ない、B+のイオン注入、ドライブイン酸
化し、P+領域17を形成する。
(E) 所要のコンタクトホールを形成し、AQ等に
より配線18を形成する。裏面電極19もAu等により
形成する。
より配線18を形成する。裏面電極19もAu等により
形成する。
PIN構造の光検出部を有するフォトダイオードアレイ
に、上記の如きU字型分離帯を形成することにより、第
7図に示した従来構造に比べて集積度および素子分離特
性が格段に優れたフォトダイオードアレイが得られる。
に、上記の如きU字型分離帯を形成することにより、第
7図に示した従来構造に比べて集積度および素子分離特
性が格段に優れたフォトダイオードアレイが得られる。
即ち、第7図に示した従来構造の場合、クロストクやブ
ルーミングを防止するには、P十領域から漏れ出す光キ
ャリアが隣接する画素間に移動する間に消滅させる必要
があり、キャリアのN十領域中の行程をキャリアの拡散
長a以上にする必要がある。従って、この場合の分離幅
は、N+の横方向拡散により、N一層の厚さをiとして
約2i十aとなる。
ルーミングを防止するには、P十領域から漏れ出す光キ
ャリアが隣接する画素間に移動する間に消滅させる必要
があり、キャリアのN十領域中の行程をキャリアの拡散
長a以上にする必要がある。従って、この場合の分離幅
は、N+の横方向拡散により、N一層の厚さをiとして
約2i十aとなる。
これに対して、本発明によるU字型分離帯の場合は、第
2図の要部断面図で示す如く、キャリアは溝の下部を通
って隣接画素に流れ込むので、拡散長a=2b+cを満
足するように溝幅および溝の深さを決めれば良く、溝を
ある程度深くすることにより溝幅即ち分離幅は1〜3μ
mと極めて狭くすることができる。
2図の要部断面図で示す如く、キャリアは溝の下部を通
って隣接画素に流れ込むので、拡散長a=2b+cを満
足するように溝幅および溝の深さを決めれば良く、溝を
ある程度深くすることにより溝幅即ち分離幅は1〜3μ
mと極めて狭くすることができる。
ところで入射光が赤外線などのような長波長成分を含む
場合、直接N十層11まで侵入してキャリア20を発生
する。この場合、上述の場合に比べて相対的にキャリア
の行程が短がくなる。一方、Siの光吸収係数αについ
てはGrove著の”Physicsand Tech
nolagy of Sem1conductor D
evjces”(New’10uk : Wiley
1967年)によると、第3図のようになり、光の侵入
距離ρをI/αにとると、例えば、0.8μmの近赤外
光では0膜10μmとなる。従って。
場合、直接N十層11まで侵入してキャリア20を発生
する。この場合、上述の場合に比べて相対的にキャリア
の行程が短がくなる。一方、Siの光吸収係数αについ
てはGrove著の”Physicsand Tech
nolagy of Sem1conductor D
evjces”(New’10uk : Wiley
1967年)によると、第3図のようになり、光の侵入
距離ρをI/αにとると、例えば、0.8μmの近赤外
光では0膜10μmとなる。従って。
この場合はa=b+(i+b −fi)+Ct&満足す
るように溝幅および溝深さを決めれば良く、溝の深さは
上述の場合よりも多少深くする必要はあるが、このよう
な場合を考慮しても溝幅即ち分離幅は1〜3μmとする
ことは可能である。
るように溝幅および溝深さを決めれば良く、溝の深さは
上述の場合よりも多少深くする必要はあるが、このよう
な場合を考慮しても溝幅即ち分離幅は1〜3μmとする
ことは可能である。
一方、上記溝の深さをあまり深くすることができない場
合は前述したように溝切り部13の底部に高濃度不純物
領域を形成したり、あるいは、結晶欠陥を故意に作り、
この部分のみキャリアの拡散長を小さくすることにより
、キャリアの消滅を効果的に行ない分離特性をより良く
することも可能である。
合は前述したように溝切り部13の底部に高濃度不純物
領域を形成したり、あるいは、結晶欠陥を故意に作り、
この部分のみキャリアの拡散長を小さくすることにより
、キャリアの消滅を効果的に行ない分離特性をより良く
することも可能である。
このようにして、U字型分離帯を形成することにより本
実施例の場合には、従来構造に比べて、N一層12の厚
さを如何によらず、十分集積度良く分離帯を形成するこ
とができるようになる。
実施例の場合には、従来構造に比べて、N一層12の厚
さを如何によらず、十分集積度良く分離帯を形成するこ
とができるようになる。
−例として、光検出部の画素寸法37 X 37μm、
基板不純物濃度lXl0’ ” am−” 、N一層厚
さ5μmの場合で、溝切り寸法として幅2μm、深さ1
0μmとなるように分離帯を形成し、各画素間のクロス
トークを測定した結果、クロストークは0.1%以下で
あり、従来の約10%に比べ、100分の1以下に減少
し、極めて良い分離特性が得られた。
基板不純物濃度lXl0’ ” am−” 、N一層厚
さ5μmの場合で、溝切り寸法として幅2μm、深さ1
0μmとなるように分離帯を形成し、各画素間のクロス
トークを測定した結果、クロストークは0.1%以下で
あり、従来の約10%に比べ、100分の1以下に減少
し、極めて良い分離特性が得られた。
尚、分離帯の形成は上記実施例のみに限られることなく
、例えば第4図に示すように、P型基板21にN十埋込
層を形成した上にN−エピタキシャル層を形成した構造
にも適用することができ、入射光波長、キャリアの拡散
長によっては、溝切り深さをN÷埋込層を貫通し、P型
基板中まで入ることもあり得ることは勿論である。
、例えば第4図に示すように、P型基板21にN十埋込
層を形成した上にN−エピタキシャル層を形成した構造
にも適用することができ、入射光波長、キャリアの拡散
長によっては、溝切り深さをN÷埋込層を貫通し、P型
基板中まで入ることもあり得ることは勿論である。
また、上記の例ではP”N−N+槽構造よびP+N−N
+P構造についてのみ述べたが、第5図(A) 、 (
B)のように、P”N構造およびP”N P構造につい
てもP+N接合にできる空乏層22を上記例のN−に置
き換えてやれば全く同様に入射光の侵入深さ、および、
キャリアの拡散長に応じて溝切りの深さを決めることが
できる。以上の例を各々導電型を逆にした場合、更には
シリコン以外の他の半導体の場合にも本発明は適用でき
ることは明白である。
+P構造についてのみ述べたが、第5図(A) 、 (
B)のように、P”N構造およびP”N P構造につい
てもP+N接合にできる空乏層22を上記例のN−に置
き換えてやれば全く同様に入射光の侵入深さ、および、
キャリアの拡散長に応じて溝切りの深さを決めることが
できる。以上の例を各々導電型を逆にした場合、更には
シリコン以外の他の半導体の場合にも本発明は適用でき
ることは明白である。
更に付は加えるに、P+領域と分前領域は必ずしも離れ
て形成する必要はなく、集積度を更に上げるためには第
6図のようにP+領域を連続的に形成してから分離帯を
形成すれば、マスク合せに必要な寸法だけ、縮小できる
ので更に菜積度を上げることができる。
て形成する必要はなく、集積度を更に上げるためには第
6図のようにP+領域を連続的に形成してから分離帯を
形成すれば、マスク合せに必要な寸法だけ、縮小できる
ので更に菜積度を上げることができる。
[発明の効果コ
以上のように本発明によれば、極めて集積度が高く、か
つ、分離特性(低クロストーク、耐ブルーミング性)に
優れた半導体装置が得られる。また、本発明を光検出部
および増幅回路、スイッチ回路等を同一基板上に含む光
信号処理用IC等低クロストーク性の要求される半導体
装置に適用すれば。
つ、分離特性(低クロストーク、耐ブルーミング性)に
優れた半導体装置が得られる。また、本発明を光検出部
および増幅回路、スイッチ回路等を同一基板上に含む光
信号処理用IC等低クロストーク性の要求される半導体
装置に適用すれば。
その性能向上に極めて大きく寄与することができる。
第1図(A)〜(G)は本発明の一実施例に係るU字型
分離帯形成方法を説明するための工程図、第2図は第1
図により形成されたU分離帯の作用効果を説明するため
の半導体装置の要部概念図、第3図は波長と光吸収係数
との関係図、第4図、第5図(A) 、 (B)、第6
図は、それぞれ本発明の他の実°施例を示すU字型分離
帯の形成された半導体装置の要部概念図、第7図は従来
の分離帯構造を有する半導体装置の要部概念図である。 l、1′・・・画素、2・・・領域、3・・・基板、4
・・・分離領域、11・・・N−シリコン基板、12・
・・N一層、13・・・溝切り部、14・・・結晶欠陥
、15・・・Sin 2膜、16・・・ポリシリコン、
17・・・P+領域、18・・・配線、19・・・裏面
電極、20・・・キャリア、21・・・N子基板、22
・・・空乏層。 第2図 hy 第3図 ’10 Cm−’ 60 105”’;i都 4!l−唖 3& ピ 104當 ” 50 叡 、八3 第4図 第5図 第6図 手続補正書(0劃 昭和59年12月6日
分離帯形成方法を説明するための工程図、第2図は第1
図により形成されたU分離帯の作用効果を説明するため
の半導体装置の要部概念図、第3図は波長と光吸収係数
との関係図、第4図、第5図(A) 、 (B)、第6
図は、それぞれ本発明の他の実°施例を示すU字型分離
帯の形成された半導体装置の要部概念図、第7図は従来
の分離帯構造を有する半導体装置の要部概念図である。 l、1′・・・画素、2・・・領域、3・・・基板、4
・・・分離領域、11・・・N−シリコン基板、12・
・・N一層、13・・・溝切り部、14・・・結晶欠陥
、15・・・Sin 2膜、16・・・ポリシリコン、
17・・・P+領域、18・・・配線、19・・・裏面
電極、20・・・キャリア、21・・・N子基板、22
・・・空乏層。 第2図 hy 第3図 ’10 Cm−’ 60 105”’;i都 4!l−唖 3& ピ 104當 ” 50 叡 、八3 第4図 第5図 第6図 手続補正書(0劃 昭和59年12月6日
Claims (5)
- (1)半導体基板上に形成する複数個の素子間に分離帯
を形成する半導体素子分離帯の形成方法において、U字
型溝切りおよび溝充填法を用いて、所望の分離個所に入
射光の波長とその光キャリアの拡散長とによって決まる
深さの分離溝を形成することを特徴とする半導体素子分
離帯の形成方法。 - (2)特許請求の範囲第1項記載において、分離溝形成
後その底部に選択的に基板と同導電型の不純物を添加す
ることを特徴とする半導体素子分離帯の形成方法。 - (3)特許請求の範囲第1項記載において、分離溝形成
後、その底部に選択的にイオンを打込んで、基板内に結
晶欠陥を誘起させることを特徴とする半導体素子分離帯
の形成方法。 - (4)特許請求の範囲第1項乃至第3項のいずれかの記
載において、素子領域を連続的に形成後、分離帯を形成
することを特徴とする半導体素子分離帯の形成方法。 - (5)特許請求の範囲第1項乃至第4項のいずれかの記
載において、半導体基板上に形成、分離すべき複数個の
素子がフォトダイオードまたはイメージセンサ用受光素
子であることを特徴とする半導体素子分離帯の形成方法
。
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JPH0691233B2 JPH0691233B2 (ja) | 1994-11-14 |
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